A-Train The Seven
...'cause for once, I didn't hate myself.
Gallium Nitride (GaN) từ lâu được xem là “ngôi sao sáng” trong ngành bán dẫn nhờ khả năng truyền điện nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn so với silicon – chất liệu thống trị ngành công nghiệp chip hiện nay. Theo IEEE Spectrum, GaN có băng tần rộng (wide bandgap) cho phép hoạt động ở điện áp cao, tần số cao, nhiệt độ khắc nghiệt, lý tưởng cho các ứng dụng như 5G/6G, Internet vạn vật (IoT), điện toán lượng tử. Tuy nhiên, chi phí sản xuất GaN cao gấp 10 lần silicon, chủ yếu do phải sử dụng wafer GaN nguyên tấm và các kỹ thuật liên kết đắt đỏ như dùng vàng, khiến việc áp dụng đại trà bị hạn chế.
Quy trình truyền thống thường gắn toàn bộ wafer GaN lên silicon, đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và làm tăng chi phí. Điều này khiến GaN chủ yếu được dùng trong các ứng dụng cao cấp như bộ sạc nhanh (GaN charger) hay radar quân sự, thay vì smartphone hay thiết bị tiêu dùng phổ thông, theo Electronics Weekly.
Các nhà nghiên cứu tại MIT hợp tác với IQE và GlobalFoundries, đã phát triển một phương pháp đột phá: thay vì dùng wafer GaN nguyên tấm, họ cắt các transistor GaN riêng lẻ (gọi là die, kích thước 240 x 410 micron) và liên kết chúng trực tiếp lên wafer silicon CMOS thông qua trụ đồng nhiệt độ thấp. Theo MIT News, kỹ thuật này sử dụng liên kết đồng-đồng (copper-to-copper bonding) ở nhiệt độ dưới 300°C, rẻ hơn và tương thích hơn với dây chuyền sản xuất silicon hiện có so với liên kết vàng truyền thống (yêu cầu nhiệt độ cao và thiết bị đặc biệt).
Mỗi dielet GaN có các trụ đồng nhỏ trên bề mặt, được gắn chính xác lên trụ đồng trên chip silicon thông qua quy trình flip-chip bonding. Điều này không chỉ giảm chi phí mà còn cải thiện độ dẫn điện và tương thích với nhà máy bán dẫn tiêu chuẩn.
Để kiểm chứng, nhóm MIT đã chế tạo một bộ khuếch đại công suất (power amplifier) sử dụng dielet GaN trên chip silicon. Kết quả? Bộ khuếch đại này cho tín hiệu mạnh hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn so với chip silicon truyền thống dùng trong smartphone. Cụ thể, chip lai GaN-silicon đạt hiệu suất PAE (Power Added Efficiency) cao hơn 20% so với chip silicon CMOS thông thường. Điều này mở ra tiềm năng cho smartphone 5G/6G với tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, pin lâu hơn, và khả năng xử lý AI trên thiết bị mạnh mẽ hơn.
Ngoài ra, GaN hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp (-150°C), lý tưởng cho điện toán lượng tử nơi các hệ thống cần vận hành trong môi trường siêu lạnh.
Hiện nay, silicon vẫn chiếm 95% thị trường bán dẫn, nhờ chi phí thấp và dây chuyền sản xuất tối ưu. Tuy nhiên, với sự bùng nổ của 5G, AI và điện toán lượng tử, nhu cầu về chất bán dẫn băng tần rộng như GaN và silicon carbide (SiC) đang tăng mạnh. Theo Electronics Weekly, GaN có ưu thế vượt trội so với silicon trong các ứng dụng tần số cao, tốc độ chuyển mạch nhanh gấp 10 lần và tổn hao năng lượng thấp hơn 50%. Tuy nhiên, chi phí sản xuất GaN (khoảng 2.000 USD/wafer so với 200 USD/wafer silicon) là rào cản lớn.
Quy trình của MIT giải quyết vấn đề này bằng cách tích hợp GaN ở cấp độ transistor giảm chi phí xuống còn 1/5 so với phương pháp wafer-to-wafer. So với các công ty như Infineon hay ON Semiconductor vốn sản xuất chip GaN cho sạc nhanh và hệ thống năng lượng, quy trình của MIT tương thích hơn với các nhà máy silicon hiện có, giúp dễ dàng mở rộng quy mô sản xuất.
Nếu được thương mại hóa, công nghệ này có thể thay đổi ngành công nghiệp điện tử. Theo Forbes, tích hợp GaN-silicon sẽ giúp smartphone hỗ trợ AI trên thiết bị (on-device AI) mạnh mẽ hơn, xử lý hình ảnh, dịch ngôn ngữ, hoặc trợ lý ảo mà không cần kết nối đám mây. 5G/6G sẽ hưởng lợi từ bộ khuếch đại công suất GaN, cải thiện tốc độ và độ trễ mạng. Trong điện toán lượng tử, GaN có thể dùng trong bộ khuếch đại tín hiệu lượng tử, tăng độ chính xác của qubit.
Tuy nhiên, vẫn còn thách thức. Theo Tom’s Hardware, việc sản xuất hàng loạt dielet GaN đòi hỏi độ chính xác cao, và bất kỳ sai lệch nào trong liên kết đồng-đồng có thể làm giảm hiệu suất chip. Ngoài ra, các nhà máy bán dẫn cần đầu tư vào thiết bị mới để hỗ trợ quy trình này, dù chi phí thấp hơn so với dây chuyền GaN nguyê
Quy trình truyền thống thường gắn toàn bộ wafer GaN lên silicon, đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và làm tăng chi phí. Điều này khiến GaN chủ yếu được dùng trong các ứng dụng cao cấp như bộ sạc nhanh (GaN charger) hay radar quân sự, thay vì smartphone hay thiết bị tiêu dùng phổ thông, theo Electronics Weekly.
Các nhà nghiên cứu tại MIT hợp tác với IQE và GlobalFoundries, đã phát triển một phương pháp đột phá: thay vì dùng wafer GaN nguyên tấm, họ cắt các transistor GaN riêng lẻ (gọi là die, kích thước 240 x 410 micron) và liên kết chúng trực tiếp lên wafer silicon CMOS thông qua trụ đồng nhiệt độ thấp. Theo MIT News, kỹ thuật này sử dụng liên kết đồng-đồng (copper-to-copper bonding) ở nhiệt độ dưới 300°C, rẻ hơn và tương thích hơn với dây chuyền sản xuất silicon hiện có so với liên kết vàng truyền thống (yêu cầu nhiệt độ cao và thiết bị đặc biệt).
Mỗi dielet GaN có các trụ đồng nhỏ trên bề mặt, được gắn chính xác lên trụ đồng trên chip silicon thông qua quy trình flip-chip bonding. Điều này không chỉ giảm chi phí mà còn cải thiện độ dẫn điện và tương thích với nhà máy bán dẫn tiêu chuẩn.
Để kiểm chứng, nhóm MIT đã chế tạo một bộ khuếch đại công suất (power amplifier) sử dụng dielet GaN trên chip silicon. Kết quả? Bộ khuếch đại này cho tín hiệu mạnh hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn so với chip silicon truyền thống dùng trong smartphone. Cụ thể, chip lai GaN-silicon đạt hiệu suất PAE (Power Added Efficiency) cao hơn 20% so với chip silicon CMOS thông thường. Điều này mở ra tiềm năng cho smartphone 5G/6G với tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, pin lâu hơn, và khả năng xử lý AI trên thiết bị mạnh mẽ hơn.
Ngoài ra, GaN hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp (-150°C), lý tưởng cho điện toán lượng tử nơi các hệ thống cần vận hành trong môi trường siêu lạnh.
Hiện nay, silicon vẫn chiếm 95% thị trường bán dẫn, nhờ chi phí thấp và dây chuyền sản xuất tối ưu. Tuy nhiên, với sự bùng nổ của 5G, AI và điện toán lượng tử, nhu cầu về chất bán dẫn băng tần rộng như GaN và silicon carbide (SiC) đang tăng mạnh. Theo Electronics Weekly, GaN có ưu thế vượt trội so với silicon trong các ứng dụng tần số cao, tốc độ chuyển mạch nhanh gấp 10 lần và tổn hao năng lượng thấp hơn 50%. Tuy nhiên, chi phí sản xuất GaN (khoảng 2.000 USD/wafer so với 200 USD/wafer silicon) là rào cản lớn.
Quy trình của MIT giải quyết vấn đề này bằng cách tích hợp GaN ở cấp độ transistor giảm chi phí xuống còn 1/5 so với phương pháp wafer-to-wafer. So với các công ty như Infineon hay ON Semiconductor vốn sản xuất chip GaN cho sạc nhanh và hệ thống năng lượng, quy trình của MIT tương thích hơn với các nhà máy silicon hiện có, giúp dễ dàng mở rộng quy mô sản xuất.
Nếu được thương mại hóa, công nghệ này có thể thay đổi ngành công nghiệp điện tử. Theo Forbes, tích hợp GaN-silicon sẽ giúp smartphone hỗ trợ AI trên thiết bị (on-device AI) mạnh mẽ hơn, xử lý hình ảnh, dịch ngôn ngữ, hoặc trợ lý ảo mà không cần kết nối đám mây. 5G/6G sẽ hưởng lợi từ bộ khuếch đại công suất GaN, cải thiện tốc độ và độ trễ mạng. Trong điện toán lượng tử, GaN có thể dùng trong bộ khuếch đại tín hiệu lượng tử, tăng độ chính xác của qubit.
Tuy nhiên, vẫn còn thách thức. Theo Tom’s Hardware, việc sản xuất hàng loạt dielet GaN đòi hỏi độ chính xác cao, và bất kỳ sai lệch nào trong liên kết đồng-đồng có thể làm giảm hiệu suất chip. Ngoài ra, các nhà máy bán dẫn cần đầu tư vào thiết bị mới để hỗ trợ quy trình này, dù chi phí thấp hơn so với dây chuyền GaN nguyê
